一種燃氣發生器的變推力設計與仿真

付文娟,曾慶軒,李明愉

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

彈射系統變推力驅動，是指對輸入發射筒的燃氣量進行調節，使給定質量的彈體在發射筒出口處達到要求的速度。常規彈體發射的推力技術主要包括固定能量發射、水冷卻器能量調節技術和更改噴喉直徑調節等[1]。固定能量發射方案的動力系統具有結構簡單的優點，然而由于其發射能量不變，故其調節能力較小，也不容易控制[2]；在水冷卻器能量調節方案里，冷卻器根據發射要求的不同，向燃氣流中噴入不同質量的冷卻水，其具有一定的調節能力但結構復雜[3-5]；更改噴喉直徑調節方案需要在噴管處設計一個調節錐，通過調節噴喉通氣面積的大小，進而控制燃氣流量特性，雖然其調節能力較強，但增加了系統的復雜程度，降低了可靠性[6-7]。

為設計一套結構簡單、具有調節功能、實用性強的燃氣驅動裝置，本文調研了國內外燃氣發生器的相關文獻。王玲玲[8]分別對管型裝藥、星型裝藥以及多種形狀的組合裝藥固體火箭發動機的點火瞬態過程進行了二維軸對稱數值分析。Iwakiri T 等[9]設計了一種用于約束裝置的氣體發生器組件，包括：氣體發生器，與氣體發生器殼體組裝在一起的可調節氣體流量的控制裝置等結構。Dunaway 等[10-11]設計了一種帶有高壓室、膨脹室和降溫、減少燃燒殘渣裝置的燃氣發生器。Hanano T 等[12]發明了一種氣體發生器，該燃氣發生器具有圓柱形殼體，其一端連接有點火裝置，另一端連接具有氣體排出口的擴散器部分。秦新華等[13]對燃氣發生器的固定連接結構進行改進，增加了動力裝置的可靠性。王鵬等[14]對固體火箭發動機進行了總體優化設計。Alon Gany等[15]對固體推進劑無噴嘴火箭發動機內部彈道學進行了理論及實驗研究，并分析了恒定區域理想氣體的準穩態一維流動，并對圓柱形推進劑進行了燃燒實驗參數研究，研究表明推進劑的燃燒可以認為是均勻速率的燃燒。趙堅等[16]采用燃燒室加質、模型軸對稱等方法對產氣藥柱進行了一維、 二維、及三維的一體化計算，得到了雙燃速內彈道性能和軸對稱二維流場中燃氣參數的分布。周哲等[17]建立了推進劑燃燒的內彈道模型，對不同藥柱數的推進劑和點火藥的藥量的推力-時間變化關系進行了仿真研究。

1 變推力驅動裝置設計

1.1 設計要求

要求設計一套燃燒溫度低、固體及污染腐蝕成分少、產氣量大且輸出推力可調的彈射系統動力裝置，該動力裝置為包含多根產氣藥柱的燃氣發生器，其設計原理圖如圖1所示。以包含3根藥柱的燃氣發生器為例，藥柱組件安裝在安裝板上，每根藥柱都有一個點火器與之相連，點火器由時序控制裝置控制其作用時序，從而控制燃氣發生器里的產氣藥柱的作用個數和作用時間，調節燃氣發生器的輸出氣體流量，進而調整彈體系統內部的推力。

圖1 燃氣發生器裝置設計原理圖Fig.1 Design schematic of the gas generator

1.2 燃氣發生器設計與仿真方法

由于FLUENT軟件具有高效率的并行計算功能、強大的網格支持能力、自適應能力、計算速度快、穩定性好和精度高等優點，擁有動網格及變形網格等技術，可為用戶提供二次開發接口User-Difined(UDF)，因此可廣泛應用于火箭發射等領域[18-19]。為解決邊界運動的問題，本文采用基于壓強的耦合隱式算法、k-epsilon標準湍流模型、采用UDF接口對藥柱燃燒加質、藥柱內表面燃燒情況以及彈體運動情況進行二次開發，對不同情況下發射筒內壓強和彈體的速度、位移等情況進行仿真模擬，探究燃氣發生器的推力變化狀況，為動力裝置的整體設計及以后的彈射實驗提供參考和依據。

以包含3根藥柱的燃氣發生器為例，根據彈射系統藥柱及其他各部件的實際尺寸，構建的三維簡化模型如圖2所示，仿真模型部分參數如表1所示。

圖2 彈射系統仿真模型Fig.2 Simulation model of the launch system

表1 彈射系統部分裝置尺寸

Tab.1 Parameters of the launch system單位：mm

參數直徑長度藥柱內徑20260藥柱外徑40260燃氣發生器150280發射筒3865 300

彈射系統仿真模型基本假設為：

1)彈射系統內部的燃氣氣體為理想氣體；

2)燃氣發生劑在整個反應過程中為固態，不考慮相變影響；

3) 各材料的物性參數為常量，不隨溫度變化；

4)忽略裝藥、殼體等的燒蝕情況；

5)燃氣流動是等熵的，不計摩擦及黏性損失；

6)燃氣為凍結氣體，流動過程中不發生化學反應；

7)彈體簡化為一有質量的壁面；

8)彈體運動過程的摩擦力設為0.3個重力值；

9)彈體頂部壓強為恒值，即大氣壓強。

彈射系統仿真模型邊界條件：

單根藥柱質量入口邊界質量通量

(1)

式中r為產氣藥劑燃燒速度。一般來說，藥劑的燃速與藥劑本身參數及藥柱內燃燒壓強有關，燃燒公式可表示為：①r=a+bp；②r=a·pn;③1/r=a/p+b/p(1/3)，經比較，②中指數式燃速公式擬合得到的殘差最小，③次之，①中的線性燃速擬合得到的殘差最大，說明用指數式來描述燃氣發生器產氣藥劑的燃速規律較為合理[20-21]。

移動及變形邊界：隨著藥柱的燃燒，其內部空間逐漸變大，故質量入口邊界設置為動邊界，與其相連的左、右側壁面為變形邊界。隨著發射筒內壓強的上升，彈體會隨之運動，故彈體壁面為運動邊界，且彈體在運動過程中具有與發射筒內壓強相關的加速度。同時，發射筒側壁面為變形邊界。

interface邊界：藥柱與燃氣發生器，燃氣發生器與發射筒等空間內重合邊界設為interface邊界。

1.2.1 仿真模型所用藥劑設計

為達到彈射系統驅動裝置對產氣藥劑低溫、低污染、燃速可調的要求，聯合在此方面具有深入研究的湖北航天化學技術研究所，為本研究開發了一種燃燒溫度、壓強指數及固體殘渣等都較低的燃氣發生劑作為動力能源材料[22-23]，其燃燒性能參數如表2所示。

表2 藥劑燃燒性能

經計算，藥劑燃燒后的物質主要成分如下(單位mol)：

H2:12.43；H2O:6.40；HCl:2.64；N2：9.14；NH3:0.005；CO：4.53；CO2:6.49；CH4：1.77；FeCl2:0.03；Fe2Cl4:0.004；KC:3.45；KFeO:0.27，污染腐蝕成分所占百分比為5.6%，固體成分所占百分比為8%。

在仿真模型中藥柱燃燒產生的混合氣體視為具有相同物化特性的理想氣體，其性能參數如表3所示。

表3 氣體參數

1.2.2 藥柱尺寸設計與燃燒測試

彈射系統產氣藥柱尺寸設計如圖3所示，為測試藥柱的燃燒狀況及其配套組件強度設計是否合理，便于后續深化設計及整體仿真，故進行藥柱燃燒實驗，實驗所用直列式點火器[24-25]是國家重點實驗室為本研究制作，該種點火器作用迅速、安全性好、可靠性高。實驗前后的實驗裝置如圖4所示，由圖4可知，實驗后，堵蓋打開，殼體等配套組件完好，殼體內部基本無殘渣，這說明產氣藥劑的性能良好、燃燒室及配套組件的結構設計基本合理，可進行下一步多藥柱設計與實驗。

圖3 藥柱尺寸Fig.3 Grain parameter

圖4 藥柱燃燒實驗裝置Fig.4 Experimental device of grain combustion

1.2.3 多燃燒室藥柱設計與獨立性測試

為達到彈射系統變推力的目的，設計燃氣發生器包含多個可獨立作用的燃燒室，每個燃燒室里的藥柱配備一個直列式點火器，每個點火器都由時序控制裝置控制其點火時間。測試實驗以包含3個燃燒室的燃氣發生器為例，測試容器如圖5所示。測試實驗中僅使一個點火器點火，點燃與其相連的燃燒室產氣藥柱，觀察另外裝填的2個燃燒室的情況。經觀測，實驗結束后在3根裝藥中，被點燃的那根藥柱成功作用，另外2個燃燒室裝藥并未被其影響，燃燒室外殼和堵蓋等組件亦都保存完好，具體情況如圖6所示。由此可知，燃氣發生器里的多根藥柱擁有獨立作用的能力，可通過調整控制裝置控制不同藥柱的作用時序，達到變推力輸出的目的。

圖5 多藥柱獨立性測試容器Fig.5 Test container of multi-grains independence

圖6 多藥柱獨立性測試實驗的藥柱情況Fig.6 Grain situation in the independence test of multi-grains

2 彈射系統仿真結果與分析

以包含3個獨立燃燒室的燃氣發生器為動力裝置的彈射系統為例，通過調整3個燃燒室的作用狀況，可以實現不同情況下的發射要求。下面就兩種藥柱作用情況進行討論, 分別是單個燃燒室藥柱作用，多個燃燒室藥柱聯合作用。

2.1 單燃燒室作用

取彈體質量分別為600 kg，800 kg以及1 000 kg，分析彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移隨時間的變化情況。其中，仿真所得壓強為發射筒內靠近彈體處所測面平均壓強。由圖7可知，當單個燃燒室作用時，隨著彈體質量的增加，發射筒內靠近彈體底部處的壓強峰值逐漸增大，但達到峰值的時間卻在后移，相同時刻彈體的速度反而減小，且彈體質量越大，其在發射筒出口處的速度越小，到達發射筒出口處的時間也越長。

2.2 多個燃燒室聯合作用

取彈重為600 kg，當燃燒室作用個數為n(n=1，2，3)時，分析多個燃燒室藥柱同時作用彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移隨時間的變化情況。如圖8所示，隨著燃燒室作用個數的增加，發射筒內靠近彈體底部處的壓強峰值逐漸增大，達到峰值的時間也在前移，相同時刻彈體的速度亦隨之增加，且作用個數越多，彈體在發射筒出口處的速度越大，其到達發射筒出口處的時間也越短。

然而隨著燃燒室數量的增加，發射筒內的壓強亦會隨之增加到超過發射筒可承受的范圍，對發射筒及彈射系統內其他相連部件造成損害，故需對燃燒室的作用時序進行調整。以下面5種不同的作用時序為例，分析不同的時序組合對彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移等的影響，其中t1，t2，t3分別為每個燃燒室藥柱開始燃燒的時間，5種組合可表示為：a：t1=t2=t3=0 s；b：t1=0，t2=0.1 s，t3=0.2 s;c：t1=0 s，t2=0.15 s，t3=0.2 s;d：t1=0 s，t2=t3=0.2 s;e：t1=t2=0 s，t3=0.2 s。仿真結果如圖9所示。a種組合為3個燃燒室同時作用，發射筒內的壓強只有一個高峰，且其峰值為所有組合中的最高值，約為1.18 MPa；b種組合后2個燃燒室里的藥柱與第一個燃燒室藥柱的作用時間間隔都為0.1 s，此種情況下發射筒內的壓強也只有一個高峰，但在其峰值左右壓強較為平穩，其峰值約為0.77 MPa；c 種組合后2個燃燒室藥柱與第一個燃燒室藥柱作用時間間隔分別為0.15 s和0.2 s，此種情況下發射筒內的壓強亦只有一個高峰，其峰值約為0.82 MPa；d種組合后2個燃燒室藥柱與第一個燃燒室藥柱作用時間間隔都為0.2 s，發射筒內的壓強擁有2個高峰，且2個峰值俱為0.63 MPa左右，2個峰值之間的壓強波動較為平穩，這種情況下對發射筒內壁結構影響最小，其安全性與可靠性也最高；e種組合為前2個燃燒室藥柱同時作用，第3個燃燒室藥柱與其間隔時間為0.2 s，此種情況與a種組合情況類似，發射筒內的壓強也只有一個高峰，且其峰值僅次于a種組合的峰值，約為0.9 MPa。

故在所有組合中，a種和e種組合發射筒內的壓強峰值較高，彈體到達發射筒出口處的速度也較大，所用時間亦較短； b種和d種組合壓強波動情況較平穩，彈體到達發射筒出口處的速度較小，所用時間較長；c種組合的情況介于上述兩者之間?？筛鶕煌陌l射要求，靈活地選擇各種適合的組合進行發射。

圖7 單根藥柱作用于不同質量彈體仿真所得曲線Fig.7 Simulation curves of a single grain acting on different projectile weights

圖8 同一彈體多藥柱同時作用仿真所得曲線Fig.8 Simulation curves of a specific projectile acted by multi-grains

圖9 同一彈體三根藥柱不同作用時序仿真所得曲線Fig.9 Simulation curves of a specific projectile acted by three columns with different action sequences

3 結語

由實驗及仿真結果可知，本燃氣發生器所用藥劑燃燒性能良好，結構簡單，調控簡易，各燃燒室可單獨作用，可為彈射系統提供所需推力。通過對彈體質量、裝藥數量以及其作用時序的調整，可以調節發射筒內部壓強、彈體的出口速度和到達發射筒出口所用的時間，合適的裝藥數量和作用時序可為彈體提供適當的推力和出口速度。這種變推力發射技術極大地減少了發射前的準備工作，增加了發射系統的實用性，提高了作用裝置的安全性與可靠性，可廣泛地應用于實戰。